深部煤矿开采中硬岩控制与采煤工艺协同优化研究

摘要：随着煤矿开采深度的增加，深部煤矿开采面临着高地应力、高瓦斯压力、高温等复杂地质环境，其中硬岩控制与采煤工艺的协同优化成为保障深部煤矿安全高效开采的关键问题。本文从深部煤矿硬岩的力学特性与变形破坏规律入手，分析了硬岩控制方法及采煤工艺对硬岩稳定性的影响，探讨了两者协同优化的技术措施与实现途径，旨在为深部煤矿开采实践提供理论指导与技术支持，促进深部煤矿开采的可持续发展。

1.深部煤矿硬岩的力学特性与变形破坏规律

1.1深部硬岩的力学特性

深部硬岩通常具有较高的强度、弹性模量和硬度，其抗压强度一般在 50MPa 以上。在高地应力环境下，硬岩的力学性质会发生显著变化，表现出明显的脆性特征，岩石的峰值强度后区曲线下降迅速，易发生突然的脆性破坏。此外，深部硬岩的长期强度特性也不容忽视，在长期受载情况下，岩石的强度会逐渐降低，出现流变现象，导致岩石的变形持续增加，进而影响到巷道和采场的稳定性。

1.2硬岩的变形破坏规律

深部硬岩在开挖卸荷过程中，首先会在巷道或采场周边产生应力集中，当应力超过岩石的强度极限时，岩石开始出现微裂隙。随着开采的进行，裂隙逐渐扩展、贯通，形成宏观破裂面，最终导致岩石的失稳破坏。硬岩的破坏模式主要包括拉伸破坏、剪切破坏以及拉伸 - 剪切复合破坏等。其中，在高地应力条件下，剪切破坏较为常见，表现为岩石沿某一软弱面发生相对滑移，形成楔形体、片状体等破坏形态，对采煤工作面的顶板和巷道围岩的稳定性构成严重威胁。

2.深部煤矿硬岩控制方法

2.1巷道支护技术

（1）锚杆支护

锚杆支护是深部煤矿巷道常用的支护方式之一。通过在巷道围岩中安装锚杆，将围岩锚固在一起，形成一个承载结构，提高围岩的自身承载能力。锚杆的作用机制主要包括悬吊作用、组合梁作用和加固拱作用等。在深部硬岩巷道中，为了提高锚杆的支护效果，通常采用高强度、高预应力的锚杆，并配合使用托盘、锚索等配件，形成联合支护体系，以有效控制巷道围岩的变形和破坏。

（2）锚索支护

锚索支护具有锚固深度大、承载能力高的特点，能够对深部围岩进行有效的加固。锚索通过施加较大的预紧力，将深部稳定岩体与浅部围岩连接在一起，形成一个整体的承载结构，抑制围岩的变形和离层。在深部硬岩巷道支护中，锚索常常与锚杆联合使用，形成锚网索支护体系，共同承担围岩的载荷，提高巷道的稳定性。

2.2采场顶板控制技术

（1）顶板预裂爆破

顶板预裂爆破是一种主动控制采场顶板的方法。通过在顶板一定范围内进行预裂爆破，人为地制造顶板裂隙，降低顶板的完整性和强度，使顶板在采动影响下能够按照预定的方向和范围垮落，从而避免顶板大面积突然垮落对采煤工作面造成的冲击危害。在实施顶板预裂爆破时，需要合理确定爆破参数，如炮孔间距、排距、装药量等，以确保爆破效果和顶板的安全垮落。

（2）液压支架选型与优化

液压支架是采场顶板支护的关键设备，其选型和参数设置直接影响到顶板的控制效果。在深部煤矿开采中，应根据顶板的岩性、厚度、煤层倾角以及开采工艺等因素，选择合适的液压支架类型和工作阻力。同时，通过优化液压支架的结构和控制系统，提高其对顶板的适应性和支护效率，确保采场顶板的稳定，为采煤作业提供安全的作业空间。

3.采煤工艺对硬岩稳定性的影响

3.1采煤方法的影响

（1）长壁采煤法

长壁采煤法是我国煤矿开采中广泛应用的采煤方法之一。在深部煤矿开采中，长壁采煤法的采场尺寸较大，开采过程中对顶板和围岩的扰动范围广，容易导致硬岩的应力集中和变形破坏加剧。尤其是在采用大采高、大功率采煤设备时，开采强度增大，顶板的垮落步距和来压强度也相应增加，对硬岩的稳定性提出了更高的挑战。

（2）放顶煤采煤法

放顶煤采煤法在开采厚煤层时具有较高的煤炭回收率，但该采煤方法在回采过程中，由于顶煤的放出，采空区上方顶板的垮落形态较为复杂，容易形成悬臂梁结构和空洞，导致顶板的应力分布不均匀，增加了硬岩顶板的控制难度。同时，放顶煤开采过程中的矿山压力显现规律与普通长壁开采有所不同，需要采取针对性的顶板控制措施，以保证硬岩顶板的稳定。

3.2开采参数的影响

（1）采高

采高是影响硬岩稳定性的重要参数之一。随着采高的增加，顶板的暴露面积增大，顶板所承受的载荷也相应增大，导致顶板的下沉量和变形速度加快，硬岩顶板的稳定性降低。在深部煤矿开采中，过高的采高可能会引发顶板的大面积垮落和冲击地压等动力灾害，因此，合理确定采高对于硬岩控制至关重要。

（2）推进速度

开采推进速度对硬岩的稳定性也有一定的影响。过快的推进速度会使采场前方的应力来不及充分释放和调整，导致围岩的应力集中程度增加，硬岩的变形破坏加剧。相反，过慢的推进速度则会使顶板长时间处于受载状态，增加顶板的下沉量和破碎程度。因此，在深部煤矿开采中，需要根据围岩的力学特性和开采条件，合理确定开采推进速度，以保证硬岩的稳定。

4.硬岩控制与采煤工艺协同优化技术措施与实现途径

4.1基于地质条件的优化设计

（1）地质信息精准探测与分析

在深部煤矿开采前，采用综合地球物理勘探技术，如三维地震勘探、瞬变电磁法、钻孔窥视等，对煤层赋存状况、围岩岩性、地质构造、地应力分布等地质信息进行精准探测和详细分析。根据探测结果，建立精确的地质模型，为硬岩控制和采煤工艺的优化设计提供可靠的地质依据。

（2）开采方案个性化设计

根据不同区域的地质条件差异，制定个性化的开采方案。对于硬岩稳定性较差的区域，优先选择对围岩扰动较小的采煤工艺，如采用短壁采煤法或留煤柱开采等；对于地质条件相对较好的区域，可以适当提高开采强度，但也要合理确定开采参数，确保硬岩的稳定。同时，根据围岩的力学特性和变形破坏规律，优化巷道布置和支护设计，选择合适的支护形式和参数，提高巷道的支护效果。

4.2采煤工艺与硬岩控制的动态调整

（1）实时监测与反馈

在深部煤矿开采过程中，建立完善的围岩变形监测系统和采煤工艺参数监测系统，对顶板下沉、两帮移近、支架载荷、采高、推进速度等参数进行实时监测。通过对监测数据的分析处理，及时掌握硬岩的变形破坏情况和采煤工艺的实施效果，为后续的调整优化提供依据。

（2）工艺参数动态优化

根据监测反馈信息，当发现硬岩变形量超过预警值或采煤工艺存在不合理之处时，及时对采煤工艺参数进行动态调整。例如，适当降低采高、调整推进速度、优化支架支护方式等，以控制硬岩的变形发展，保证开采过程的安全稳定。同时，根据硬岩的破坏情况，及时对巷道支护和采场顶板控制措施进行补强和优化，如增加锚杆锚索的支护密度、调整预紧力、进行二次支护等，提高硬岩的控制效果。

4.3新技术与新设备的应用

（1）智能开采技术

推广应用智能开采技术，实现采煤设备的自动化、智能化运行。通过智能感知、智能决策和远程控制技术，使采煤机能够根据煤层厚度和顶板条件自动调整截割参数，液压支架能够根据顶板压力自动完成支护和移架动作，提高采煤工艺的精准性和适应性，减少人为因素对开采过程的影响，从而有利于硬岩控制和安全生产。

（2）高性能支护设备

研发和应用高性能的巷道支护设备和采场顶板控制设备，如大吨位、高预应力锚杆锚索、新型液压支架等。这些设备具有更强的承载能力和适应性，能够更好地满足深部煤矿硬岩控制的需求。同时，加强对支护设备的维护和管理，确保其性能的稳定可靠，提高硬岩控制的效果和效率。

结论

深部煤矿开采中硬岩控制与采煤工艺的协同优化是一个复杂的系统工程，涉及地质、采矿、岩石力学等多个学科领域。通过深入研究深部硬岩的力学特性与变形破坏规律，采取有效的硬岩控制方法，优化采煤工艺参数，并遵循协同优化的原则和目标，实施基于地质条件的优化设计、采煤工艺与硬岩控制的动态调整以及新技术与新设备的应用等技术措施和实现途径，能够实现深部煤矿开采中硬岩的有效控制和煤炭资源的安全高效回收。这对于推动深部煤矿开采技术的进步，保障煤矿安全生产，促进煤炭工业的可持续发展具有重要的意义。

参考文献

[1]吕帅.浅析煤矿采煤方法与采煤技术的选择及影响因素[J].矿业装备，2023（07）：77-79.

[2]郭盛.试析采煤技术及采煤方法的选择[J].矿业装备，2023（06）：134-136.

[3]石凯.探讨煤矿采煤方法及采煤工艺改造中的关键环节[J].矿业装备，2021（03）：78-79.

[4]高平.基于煤矿采煤技术的新工艺及方法研究[J].矿业装备，2020（05）：178-179.